Les chercheurs ont créé une puce photonique intégrée en carbure de silicium (SiC) qui peut être réglée thermiquement en appliquant un signal électrique. L'approche pourrait un jour être utilisée pour créer une large gamme de dispositifs reconfigurables tels que des déphaseurs et des coupleurs optiques accordables nécessaires aux applications de mise en réseau et au traitement de l'information quantique.

Bien que la plupart des puces optiques et informatiques soient en silicium, il y a un intérêt croissant pour le SiC car il présente un meilleur thermique, propriétés électriques et mécaniques que le silicium tout en étant biocompatible et fonctionnant à des longueurs d'onde allant du visible à l'infrarouge.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , des chercheurs dirigés par Ali Adibi du Georgia Institute of Technology détaillent comment ils ont intégré un microchauffeur et un dispositif optique appelé résonateur à micro-anneaux sur une puce SiC. Cette réalisation représente le premier commutateur optique SiC entièrement intégré et accordable thermiquement qui fonctionne dans les longueurs d'onde du proche infrarouge.

« Des dispositifs tels que celui que nous démontrons dans ce travail peuvent être utilisés comme éléments de base pour les dispositifs de traitement de l'information quantique de la prochaine génération et pour créer des capteurs et des sondes biocompatibles, ", a déclaré le premier auteur de l'article, Xi Wu.

Le SiC est particulièrement intéressant pour les applications d'informatique quantique et de communication car il présente des défauts qui peuvent être contrôlés optiquement et manipulés sous forme de bits quantiques, ou qubits. L'informatique et la communication quantiques promettent d'être nettement plus rapides que l'informatique traditionnelle pour résoudre certains problèmes, car les données sont codées en qubits qui peuvent être dans n'importe quelle combinaison de deux états à la fois, permettant à de nombreux processus d'être exécutés simultanément.

Fabrication au niveau des tranches

Le nouveau travail s'appuie sur le développement précédent des chercheurs d'une plate-forme appelée SiC cristallin sur isolant qui surmonte une partie de la fragilité et d'autres inconvénients des plates-formes SiC précédemment signalées tout en offrant une voie facile et fiable pour l'intégration avec des appareils électroniques.

« La plate-forme SiC-sur-isolant que notre groupe a mise au point est similaire à la technologie silicium-sur-isolant largement utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour une variété d'applications, " a déclaré Tianren Fan, membre de l'équipe de recherche. « Il permet la fabrication au niveau des tranches de dispositifs SiC, ouvrant la voie à la commercialisation de solutions intégrées de traitement de l'information quantique photonique basées sur le SiC, " a déclaré Ali A. Eftekhar, membre de l'équipe de recherche.

Pour exploiter pleinement les capacités uniques de la nouvelle plate-forme, il a fallu développer la capacité d'ajuster ses propriétés optiques afin qu'une seule structure à puce puisse être utilisée pour fournir différentes fonctions. Les chercheurs y sont parvenus en utilisant l'effet thermo-optique dans lequel le changement de température d'un matériau modifie ses propriétés optiques, comme l'indice de réfraction.

Ils ont commencé par fabriquer de minuscules cavités optiques en forme d'anneau, ou des résonateurs à micro-anneaux, utilisant la technologie SiC-sur-isolant cristallin. Dans chaque résonateur, lumière à certaines longueurs d'onde, appelé ses longueurs d'onde de résonance, voyager autour du ring développera de la force grâce à des interférences constructives. Le résonateur peut alors être utilisé pour contrôler l'amplitude et la phase de la lumière dans un guide d'ondes qui lui est couplé. Pour créer un résonateur accordable avec un haut degré de contrôle, les chercheurs ont fabriqué des radiateurs électriques au-dessus des micro-anneaux. Lorsqu'un courant électrique est appliqué au microchauffeur intégré, il augmente localement la température du microanneau SiC et modifie ainsi ses longueurs d'onde de résonance grâce à l'effet thermo-optique.

Tester l'appareil intégré

Les chercheurs ont testé les performances des résonateurs à micro-anneaux et des microchauffeurs intégrés fabriqués en appliquant différents niveaux de puissance électrique, puis en mesurant la transmission optique du guide d'ondes couplé au résonateur à micro-anneaux. Leurs résultats ont montré qu'il est possible d'obtenir des résonateurs de haute qualité avec une accordabilité thermique à faible puissance grâce à un dispositif robuste pouvant être fabriqué à l'aide des processus de fonderie de semi-conducteurs existants.

"Combiné avec d'autres caractéristiques uniques de notre plate-forme SiC-sur-isolant cristallin, ces appareils de haute qualité ont les exigences de base pour permettre de nouveaux appareils à l'échelle de la puce qui fonctionnent dans une large gamme de longueurs d'onde, " a déclaré Ali Adibi, le chef d'équipe. "Cette accordabilité à l'échelle de la puce est essentielle pour effectuer les opérations quantiques nécessaires à l'informatique et à la communication quantiques. De plus, en raison de la biocompatibilité du SiC, cela pourrait être très utile pour la biodétection in vivo."

Les chercheurs travaillent maintenant à construire des éléments avec la plate-forme cristallin SiC-sur-isolant pour circuits intégrés photoniques quantiques, y compris les lasers à pompe sur puce, sources de photons uniques et détecteurs de photons uniques qui pourraient être utilisés avec le résonateur à micro-anneau accordable pour créer une puce entièrement fonctionnelle pour l'informatique quantique optique avancée.

Ce travail est le résultat de trois années de recherche approfondie pour former une plate-forme hybride fiable avec des propriétés de matériau SiC considérablement améliorées et l'utiliser pour former des dispositifs innovants. Xi Wu, Fan de Tianren, et Ali A. Eftekhar du groupe de recherche d'Ali Adibi ont énormément contribué à ce travail. Hesam Moradinejad, un ancien membre du groupe de chercheurs d'Adibi, a également contribué au développement de la plateforme (publié précédemment). Ce travail a été principalement financé par l'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) sous le numéro de subvention FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).